Reconstruyen por primera vez en 3D el fragmento más grande de un cerebro humano hasta la fecha

Científicos de Google Research y la Universidad de Harvard han reconstruido mediante tecnología 3D de alta precisión un milímetro cúbico de tejido cerebral humano, una cantidad de materia orgánica suficiente como para contener 57.000 células, 230 milímetros de vasos sanguíneos y 150 millones de sinapsis. En total, este fragmento de cerebro es capaz de almacenar 1.400 terabytes de datos, según explican en el artículo publicado en la revista Science.

El equipo de Jeff Lichtman, decano de Ciencias y profesor de Biología Molecular y Celular de la cátedra Jeremy R. Knowles en Harvard, ha trabajado con los especialistas de Google para desarrollar la mayor reconstrucción en 3D de una región cerebral humana. El modelo, de precisión nanométrica, permite estudiar las conexiones sinápticas, las células individuales con todo detalle y su red de conexiones neuronales en un fragmento del lóbulo temporal del tamaño de medio grano de arroz.

El hito científico ha podido alcanzarse gracias a la colaboración en la última década entre el laboratorio de Lichtman, que proporcionó las imágenes obtenidas con sus microscopios electrónicos, y los algoritmos de Inteligencia Artificial de Google, que permiten codificar por colores y reconstruir las conexiones extremadamente complejas de los cerebros de los mamíferos. Han necesitado 1,4 petabytes -equivalentes a 1.400.000.000.000.000 bits- para completar el trabajo.

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El objetivo final de esta colaboración es completar el atlas cerebral, célula a célula y neurona a neurona, de un ratón, un proyecto que se enmarca en la Iniciativa BRAIN de los Institutos Nacionales de Salud de EEUU. Y aunque los recursos de datos empleados en reconstruir el milímetro cúbico de corteza cerebral humana han sido ingentes, el objetivo requerirá mil veces más de lo empleado hasta ahora. 

La zona reconstruida.

"Hablar de 'fragmento' suena irónico, si piensas que un terabyte -equivalente a 1.000.000.000.000 bits- es algo gigantesco para la mayoría de las personas", valora Lichtman. "Y sin embargo, un minúsculo, diminuto pedacito de cerebro humano ya es capaz de almacenar miles de ellos". La recreación de la corteza temporal, además, ha permitido a los investigadores descubrir aspectos desconocidos hasta la fecha, como la cantidad desproporcionada de células de glía en comparación con las neuronas que aloja. 

Además, han revelado más detalles sobre una estructura cerebral apenas conocida, una potente agrupación de axones -los 'brazos' de las neuronas- conectados hasta con 50 sinapsis. También descubrieron irregularidades en el tejido cerebral, como el hecho de que una pequeña cantidad de axones se abriera en forma de tallo. Los investigadores señalan que la muestra cerebral que tomaron como modelo provenía de un paciente con epilepsia, por lo que habrá que determinar si estas configuraciones son patológicas o simplemente inusuales.

La ciencia de las conexiones

Al igual que la ciencia posee la 'genómica', explica Lichtman, su trabajo busca asentar el campo de la 'conectómica', una disciplina que funciona de forma análoga. Su objetivo es crear catálogos detallados de estructuras cerebrales, de las células individuales a sus entrelazamientos. De completarse, estos mapas aportarían nuevas perspectivas para el estudio de las funciones cerebrales y las enfermedades neurodegenerativas sobre las que la información es aún escasa.

Por su parte, la contribución de Google Research no se limita a este estudio. El equipo involucrado ha puesto a libre disposición para los investigadores una gama de herramientas basada en los algoritmos desarrollados en este proyecto. De este modo, otros equipos podrán explorar y anotar los datos del conectoma. "Dada la enorme inversión en este proyecto, era fundamental presentar los datos de un modo que permitiera a todo el mundo beneficiarse de ello", explican.

El siguiente reto del equipo pasa por recrear la formación del hipocampo en un modelo de ratón. Se trata de un proceso de gran interés para la neurología, ya que es una región cerebral fuertemente vinculada con los mecanismos de la memoria, así como con varias enfermedades neurológicas.